پژوهش user6-762

یکشنبه 7 آبان 1396 ساعت 18:07
استفاده از الگوریتمهای هوشمند ابتکاری و فراابتکاری برای انتخاب سرخوشه مناسب یکی از راههای این مسئله است.هدف این پایاننامه ارائه یک الگوریتم خوشهبندی توزیعشده بر اساس یک الگوریتم فرا ابتکاری به منظور انتخاب سرخوشه مناسب و بهینه در شبکههای حسگر […]

  

پژوهش user6-762

پژوهش user6-762

پژوهش user6-762

محیط ‌زیست:
بررسی محیط‌زیست، یکی از زمینه‌هایی است که شبکه‌های حسگر می‌توانند در آن کاربرد فراوانی داشته باشند. از مثال‌هایی که در این زمینه می‌توان نام برد، مطالعه پاسخ گیاهان در شرایط مختلف دمایی و بیماری مربوط به آنها، ردگیری و اندازه‌گیری جمعیت پرندگان و غیره می‌باشد.
کاربرد صنعتی:
استفاده از شبکه‌های حسگر بی‌سیم در صنعت، به طور قابل توجه‌ای در حال افزایش است. این فناوری با توجه به قابلیت‌های فراوانی که دارد، امکان به‌کارگیری در نقاط مختلف یک مجتمع صنعتی و انجام وظایف متنوع را دارا می‌باشد. از جمله این موارد می‌توان به جمع‌آوری اطلاعات، حفاظت و کنترل ایمنی محیط، مدیریت انبارداری و زنجیره تأمین، نظارت بر خط تولید، نظارت بر کنترل کیفیت، بهبود سامانه‌های پشتیبانی و کنترل فرآیندهای صنعتی اشاره نمود. استفاده از این فناوری در صنعت علاوه بر اینکه باعث افزایش کیفیت و میزان تولید می‌گردد، کاهش هزینه‌های نصب، نگهداری و تولید را نیز می‌تواند به دنبال داشته باشد.
جاده‌ها و بزرگراه‌های هوشمند:
امروزه یکی از مشکلات بزرگ شهری، کنترل وضعیت ترافیک در سطح شهر می‌باشد. با برپایی شبکه‌ای از گره‌های حسگر در سطح شهر و قرار دادن گره‌ها در بزرگراه‌ها و خیابان‌های شهر می‌توان بزرگراه‌ها و خیابان‌ها را هوشمند ساخت و از وضعیت تراکم عبور و مرور وسایل نقلیه و یا بروز حوادث در نقاط تحت نظر گره‌های حسگر، اطلاع یافت و در نهایت در کل سطح شهر وضعیت ترافیک و تصادفات را شناسایی و پیگیری نمود.
کاربرد پزشکی:
این فناوری در پزشکی نیز کاربردهای متعددی از جمله مراقبت از بیماران و نظارت بر سلامتی آنها از طریق اندازه‌گیری و یا کنترل پارامترهای مختلف بدن، تشخیص بیماری‌ها، کمک به پزشکان در جراحی‌ها و کارهای حساس را دارد.
مسیریابی در شبکههای حسگر بیسیمحسگرها به دو صورت با سینک ارتباط برقرار می‌کنند: مستقیم و غیرمستقیم. در مستقیم هر حسگر با سینک بدون درگیر کردن دیگر حسگرها تبادل اطلاعات و ارتباط دارد. این موضوع باعث می‌شود که محدوده شبکه کوچک شود و فقط به اندازه توان حسگر برای ارتباط با محیط اطراف باشد. در ارتباط غیرمستقیم برای ارتباط بین دو حسگر درون شبکه، بقیه حسگرهای میانی بین دو گره مبدأ و مقصد به عنوان مسیر ارتباط به کار گرفته میشوند. شکل 2-1 نشان‌دهنده این نوع ارتباط است. همه اطلاعات جمع‌آوری شده به‌وسیله حسگرها باید به یک مرکز جمع‌آوری کننده اطلاعات منتقل شوند. فواصل طولانی‌تر، انرژی بیشتری در ارسال اطلاعات مصرف می‌کنند. در ارسال مستقیم هر حسگر مستقیماً اطلاعات را به مرکز می‌فرستد. شبکه‌های ارسال مستقیم برای طراحی بسیار ساده و سرراست می‌باشند، اما به دلیل فاصله زیاد حسگرها از مرکز انرژی زیادی مصرف می‌کنند.

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ شکل \* ARABIC \s 1 1: مسیریابی در شبکه‌های حسگر بی‌سیمبه‌ منظور مقابله با کمبودها و نقص‌های ناشی از این روش، تبادل داده بین حسگرها و گره چاهک، معمولاً روش‌های انتقال بسته چند-پرشی و بر روی شعاع ارتباطی کوچک انجام می‌شود ]8[. چنین روش انتقال داده‌ای، منجر به صرفه‌جوئی مشخص در مصرف انرژی و کاهش چشمگیری در تداخل مخابراتی بین گره‌های حسگر که در رقابت برای دسترسی به کانال هستند، می‌شود. در مقابل طراحی‌هایی که فواصل ارتباطی را کوتاه‌تر می‌کنند، می‌توانند دوره حیات شبکه را طولانی‌تر کنند. در این نوع ارتباط مسائلی مثل مسیریابی، خوشه‌بندی و مشخصاً بهینه‌سازی مطرح نمی‌باشد. در ارتباط به صورت غیرمستقیم هر حسگر به عنوان مبدأ تولیدکننده پیغام برای مقصد عمل می‌کند که مقصد می‌تواند هر کدام از دیگر حسگرها یا سینک اطلاعات باشد. در بین مبدأ و مقصد هر کدام از حسگرها به عنوان برقرارکننده مسیر می‌توانند مطرح شوند. چنین روش انتقال داده‌ای، منجر به صرفه‌جوئی مشخص در مصرف انرژی و کاهش چشمگیری در تداخل مخابراتی بین گره‌های حسگر که در رقابت برای دسترسی به کانال هستند، می‌شود.
چالش‌های مسیریابی در شبکه‌های حسگر بی‌سیمبرخلاف برنامه‌های بی‌شمار ارائه‌شده برای شبکه‌های حس‌گر، این‌گونه شبکه‌ها دارای محدودیت‌هایی نیز می‌باشند، که به عنوان نمونه میتوان به مواردی همانند محدودیت انرژی، محدودیت قدرت محاسباتی و محدودیت پهنای باند اشاره نمود. یکی از مهم‌ترین اهداف طراحی شبکه‌های حس‌گر افزایش طول عمر گره‌های حسگر با استفاده از کاهش مصرف انرژی در جهت انتقال اطلاعات می‌باشد ]9[. پروتکل‌های مسیریابی در شبکه‌های حس‌گر تحت تاثیر عوامل مختلفی مورد چالش قرار گرفته است. در ادامه به بررسی برخی از این موضوع‌های چالش‌برانگیز خواهیم پرداخت.
استقرار گره‌ها در شبکه‌های حسگر بی‌سیم به مواردی همانند نوع برنامه کاربردی مورد استفاده و عملکرد پروتکل مسیریابی بستگی دارد. استقرار گره‌ها به دو صورت کاملاً تصادفی و قطعی امکان‌پذیر است. در حالت قطعی، گره‌های حسگر به صورت دستی در مکان مورد نظر قرار داده خواهند شد و داده‌ها به کمک مسیرهای از پیش تعیین‌شده انتقال خواهند یافت. بااین‌وجود در حالت تصادفی، گره‌های حسگر به صورت کاملاً تصادفی در فضای شبکه قرار خواهند گرفت. اگرچه توزیع تصادفی گره‌های حسگر امکان ایجاد مسیرهای مطلوب، جهت انتقال داده را کاهش خواهد داد اما با استفاده از پروتکل‌‌‌های خوشه‌بندی مناسب می‌توان باعث کاهش مصرف انرژی گره‌های حس‌گر شد]10[.
گره‌های حسگر، می‌توانند منابع انرژی محدودشان را در هنگام انجام محاسبات و یا انتقال اطلاعات در یک محیط بی‌سیم مصرف کنند. لذا به کارگیری روش‌های مختلف برای صرفه‌جوئی در انرژی در هنگام انجام محاسبات و ارتباطات بسیار ضروری است. از طرفی طول عمر گره‌های حسگر، وابستگی بسیار زیادی به طول عمر باتری دارد. در یک شبکه حسگر چندگامه، هر گره نقش دوگانه‌ای را به عنوان فرستنده و جهت دهنده داده ایفا می‌کند. بد عمل کردن اغلب گره‌های حسگر به علت کمبود توان می‌تواند منجر به تغییرات توپولوژیکی در شبکه شود که ممکن است نیاز به مسیریابی مجدد بسته‌ها را به وجود بیاورد. در حقیقت یکی از چالش‌های مهم در طراحی الگوریتم‌های مسیریابی در این‌گونه شبکه‌ها آن است که با مصرف انرژی گره‌ها و کاهش یافتن آنها، دقت شبکه پایین نیاید ]10[.
حس کردن داده و گزارش دهی داده حس شده، در شبکه‌های حسگر بی‌سیم به کاربرد مورد استفاده و زمان بحرانی قابل‌قبول برای گزارش‌دهی داده مورد نظر وابسته است. مدل‌های مختلف گزارش‌دهی داده می‌توانند به دسته‌های وابسته به زمان، پیوسته، وابسته به اتفاق، وابسته به پرس‌وجو و ترکیبی دسته‌بندی شوند]11[. مدل تحویل داده وابسته به زمان، برای کاربردهایی مناسب است که نیاز به کنترل و نظارت بر داده به صورت متناوب دارند. برای این منظور گره‌های حسگر به صورت متناوب بر روی حسگرها و فرستنده‌های خود سوئیچ خواهند کرد و محیط اطراف را حس کرده و داده مورد نظر را در فواصل زمانی متناوب ثابت انتقال می‌دهند. در مدل‌های وابسته به پرسش و اتفاق، گره‌ها به تغییرات ناگهانی شدیدی که در مقدار یک صفت خاص که به علت رخداد یک اتفاق خاص و یا یک پرسش ایجادشده به وسیله ایستگاه پایه به وجود آمده است، بلافاصله عکس‌العمل نشان می‌دهند. این مدل‌ها برای کاربردهایی که زمان برای آنها یک عامل بحرانی است، بسیار مناسب هستند. همچنین ممکن است ترکیبی از مدل‌های قبلی را برای مدل‌سازی گزارش‌دهی داده استفاده کنند. پروتکل‌های مسیریابی به وسیله مدل‌های گزارش‌دهی داده و مصرف انرژی و پایداری مسیر عمیقاً تحت تاثیر قرار می‌گیرند]10.[
در اغلب مطالعات انجام‌شده، فرض بر این است که همه گره‌های حسگر همگون باشند. به عبارت دیگر، گره‌های همگون بایستی ظرفیت یکسانی از لحاظ انجام عملیات محاسباتی، مخابراتی و نیز از لحاظ توان داشته باشند. اما، بسته به کاربرد، گره‌های حسگر می‌توانند نقش‌ها و یا قابلیت‌های متفاوتی داشته باشند. وجود یک مجموعه ناهمگون از حسگرها، ممکن است منجر به تعداد زیادی وجوه فنی مرتبط با مسیریابی داده شود [1، 10].
برخی از گره‌ها حسگر ممکن است به علت فقدان توان، صدمات فیزیکی و یا تداخل محیطی دچار خرابی و نقص شوند. یکی از نکاتی که باید در طراحی الگوریتم‌های مسیریابی باید توجه کرد آن است که خرابی گره‌های حسگر، نباید عملکرد کلی شبکه حسگر را تحت تاثیر قرار دهد]10[. اگر تعداد زیادی از گره‌ها دچار خرابی و نقص شوند، پروتکل‌های مسیریابی بایستی آرایش جدیدی از اتصالات و مسیرها را برای جمع‌آوری داده از ایستگاه‌های پایه برای تطبیق یافتن با این مشکلات بسازند که این امر ممکن است نیازمند آن باشد تا به صورت فعالانه، توان‌های انتقال و نرخ‌های سیگنال بر روی اتصالات موجود تنظیم شوند، تا بتوان مصرف انرژی را کاهش داده و یا بسته‌ها را مجدداً از طریق نواحی از شبکه که انرژی بیشتری در آنجا وجود دارد، مسیردهی کرد. بنابراین سطوح مختلفی از افزونگی ممکن است در یک شبکه حسگر که خطا را تحمل می‌کند، نیاز باشد]12[.
تعداد گره‌های حسگری که در یک منطقه آرایش یافته‌اند ممکن است بسیار زیاد باشند. انواع طرح‌های مسیریابی بایستی قادر به کار کردن با هر تعداد گره حسگر باشند. به‌علاوه، پروتکل‌های مسیریابی شبکه‌های حسگر بایستی به اندازه کافی قابلیت تغییر مقیاس را داشته باشند تا بتوانند به وقایعی که در آن محیط‌ها رخ می‌دهند، پاسخ دهند. البته تا زمانی که یک واقعه اتفاق بیفتد، اغلب حسگر‌ها می‌توانند در حالت خواب باقی بمانند ]12.[
اغلب ساختارهای شبکه فرض می‌کنند که گره‌های حسگر ایستا می‌باشند. اما به‌هرحال گاهی در برخی کاربردها، حرکت گره‌های حسگر و یا ایستگاه‌های پایه، ممکن است لازم باشند. مسیردهی بسته‌ها به گره‌هایی که در حال حرکت می‌باشند بسیار چالش‌برانگیزتر است. همچنین پدیده و یا حادثه‌ای که حس شده برحسب کاربرد می‌تواند هم پویا و هم‌ایستا باشد. وقایع پویا در اغلب کاربردها نیاز به گزارش‌دهی متناوب دارند و در نتیجه، ترافیک مشخصی را برای مسیردهی شدن به طرف ایستگاه پایه برقرار می‌کنند. در شبکه‌های پویا علاوه بر پهنای باند و مصرف انرژی، پایداری مسیرها از مسائلی است که حتماً باید مورد توجه قرار گیرد ]13[.
تراکم بالای گره‌ها در شبکه‌های حسگر بی‌سیم، از ایزوله شدن گره‌ها از یکدیگر به صورت کامل، جلوگیری می‌کند. بنابراین انتظار می‌رود که گره‌های حسگر، شدیداً به هم متصل باشند و یا به عبارت بهتر شدیداً با هم در ارتباط باشند. اما به‌هرحال این امر، توپولوژی شبکه را از متغیر بودن حفظ نمی‌کند و نیز اندازه شبکه را از جمع‌شدگی و کوچک شدن به علت اشتباهات گره‌های حسگر، حفظ نخواهد کرد]12[.
در این‌گونه شبکه‌ها، هر گره حسگر داخل شبکه یک دید خاص از محیط به دست می‌آورد. این دیدی که هر گره حسگر از محیط اطرافش به دست می‌آورد هم از لحاظ دقت و هم از لحاظ محدوده تحت پوشش، محدود است. به عبارت بهتر، هر گره حسگر می‌تواند یک منطقه فیزیکی محدودی از محیط اطرافش را پوشش دهد. بنابراین پوشش کل منطقه مورد نظر، به وسیله گره‌های حسگر، یک مسئله بسیار مهم در طراحی شبکه‌های حسگر بی‌سیم است]10[.
انواع مسیریابی در شبکه‌های حسگر بی‌سیمپروتکل‌های مسیریابی ارائه‌شده برای شبکه‌های حسگر با در نظر گرفتن مواردی همانند محدودیت محاسباتی و انرژی گره‌ها، گم‌شدن بسته‌ها در اثر خطاهای به وجود آمده در شبکه و میزان تأخیر ارسال بسته‌ها صورت می‌گیرد. به طور کلی پروتکل‌های ارائه‌شده را با توجه به ساختار شبکه می توان به سه دسته هم‌سطح، سلسله مراتبی و مبتنی بر موقعیت تقسیم‌بندی نمود]12[. در پروتکل‌های مسیریابی ساختار مسطح، همه گره‌های موجود در شبکه نقش یکسانی را ایفا می‌کنند. از مزایای این‌گونه شبکه‌ها می توان به مواردی همانند سربار کم و افزایش قابلیت تحمل‌پذیری در برابر خطا اشاره کرد]14[. دسته دوم، از معروف‌ترین و بهترین روش‌هایی است که به منظور مسیریابی داده‌ها در شبکه‌های حسگر بی‌سیم پیشنهاد شد. در این روش‌ها، ابتدا همه گره‌های داخل شبکه بر اساس روشی خاص خوشه‌بندی می‌شوند. در هر خوشه یک گره به عنوان سرگروه انتخاب می‌شود که برای انتخاب آن در هر روش، معیارهای متفاوتی در نظر گرفته می‌شود. در اکثر روش‌های مبتنی بر خوشه هدف آن است که توزیع مصرف انرژی بین همه گره‌ها یکنواخت گردد]15[. در دسته سوم، پروتکل‌های مسیریابی مبتنی بر موقعیت، در این نوع گره‌های موجود در شبکه دارای اطلاعاتی از مکان خود می‌باشند. که با استفاده از این اطلاعات راهکارهای مؤثری در مسیریابی ارائه‌شده است که سبب کاهش چشمگیر مصرف انرژی شد]12[.
از سوی دیگر پروتکل‌های مسیریابی را می‌توان به 5 دسته مبتنی بر چندمسیره، مبتنی بر پرس‌وجو، مبتنی بر مذاکره، مبتنی بر کیفیت سرویس‌دهی و مبتنی بر همسانی تقسیم‌بندی نمود. همچنین در تقسیم‌بندی دیگر پروتکل‌های مسیریابی را از نظر اینکه مبدأ به چه نحوی مسیر به مقصد را پیدا می‌کند، می‌توان به سه دسته تحت نام‌های پروتکل‌های واکنشی، غیر واکنشی و ترکیبی تقسیم‌بندی نمود]12[. در پروتکل‌های واکنشی مسیر تنها زمانی کشف می‌شود که مبدأ اقدام به برقراری ارتباط با گره دیگری بکند. در مقابل در پروتکل‌های کنش گرا، همه مسیرهای ممکن پیش از آنکه نیاز باشند کشف خواهند شد. در روش ترکیبی، جهت بهره‌مندی از مزایای دو ساختار قبلی از هر دو روش استفاده می‌شود. همچنین در دهه‌های اخیر الگوریتم‌هایی تحت عنوان الگوریتم‌های فراابتکاری و الگوریتم‌هایی بر اساس نظریه بازیها در زمینه مسیریابی ارائه‌شده‌اند که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره می‌کنیم ]10، 16.[
ساختار شبکه و چگونگی گسترش گره‌های حسگر در فضای شبکه از مهم‌ترین عوامل تأثیرگذار در طراحی پروتکل‌های مسیریابی شبکه‌های حسگر می‌باشند. در ادامه به توضیح دسته‌بندی ارائه‌شده در این زمینه و برخی از پروتکل‌های ارائه‌شده خواهیم پرداخت.
در این نوع مسیریابی، تمام گره‌های حسگر از لحاظ وظایف و کارکرد یکسان می‌باشند و هیچ‌کدام دارای وظیفه متفاوتی نسبت به سایرین نمی‌باشند. معمولاً در این نوع الگوریتم‌ها، از یکی از دو روش زیر جهت مسیریابی استفاده می‌گردد]12[:
درخواست از طرف حسگرها؛ در این حالت حسگرها، اطلاعات خود را در شبکه پخش می‌کنند و منتظر درخواست از طرف دریافت‌کننده می‌مانند.
درخواست از طرف دریافت‌کننده اطلاعات؛ در این حالت دریافت‌کننده اطلاعات، درخواست خود را در شبکه پخش می‌کند و منتظر جواب می‌ماند.
در ادامه برخی از پروتکل‌های ارائه‌شده در این زمینه را مورد بررسی قرار خواهیم داد.
پروتکل SPIN :
SPIN از خانواده پروتکل‌های دادهگرای مبتنی بر مذاکره در شبکه‌های حسگر بی‌سیم می‌باشد. هدف اصلی، انتشار کارای مشاهدات جمع‌آوری شده توسط حس‌گرها به سایر گره‌های حس‌گر دیگر در شبکه می‌باشد. اصل مهم در این خانواده از پروتکل‌ها، مذاکره بر سر داده و وفق پذیری با منابع شبکه است]14،17[. مذاکره بر سر داده یعنی اینکه گره‌ها محتوای داده را بررسی کرده و یک تم جدید به نام فراداده، درباره‌ی داده‌ها تشکیل می‌دهند که توصیفی از داده‌ای است که قرار است ارسال شود. گره‌ها می‌توانند داده‌های خود را از طریق دسترسی به فراداده انتخاب بکنند و آن را آگهی کنند و بدین ترتیب داده‌ها فقط به گره‌هایی که نیازمند آن داده‌ها هستند ارسال می‌شود که این امر موجب حذف ترافیک انفجاری و کاهش بسته‌های تکراری می‌شود ]18[.
از طرف دیگر استفاده از فراداده، احتمال همپوشانی را نیز از بین می‌برد، البته با شرایط که گره‌ها می‌توانند درخواست‌هایشان را محدود به داده‌هایی بکنند که دقیقاً لازم دارند. انطباق-‌منابع یعنی اینکه گره‌های شبکه فعالیت‌هایشان را مطابق با انرژی موجود در منابع تنظیم کننده هر گره می‌تواند منبع مرتبط به خود را بررسی کرده و سطح انرژی آن را قبل از ارسال و پردازش داده چک کند. هنگامی که سطح انرژی پایین است ممکن است که گره فوق فعالیت‌های خاصی را انجام ندهد، از قبیل ارسال بسته‌های داده و فراداده سه قسمتی اعلان، تقاضا و دادهرا ارسال کند ]17[.
این ویژگی طول عمر گره‌ها و در نتیجه شبکه را بالا می‌برد. انجام عمل مذاکره توسط سه نوع پیغام انجام می‌گیرد ]18[:
نوع اول بسته یا پیغام ADV است، که گره‌ها برای شناساندن داده جدید به سایرین استفاده می‌کنند. یک گره در شبکه که می‌خواهد داده خود را ارسال دارد ابتدا بسته‌ی ADV را که حاوی فراداده است، را به سایرین می‌فرستد.
نوع دوّم بسته‌ی REQ است، که به معنی اعلام نیاز برای دریافت داده‌ای است که توسط بسته‌ی ADV اعلام‌شده بود. گره‌ها بعد از دریافت ADV اگر داده را نیاز داشته باشد بسته‌ی REQ را به گره ارسال‌کننده‌ی ADV فرستاده و داده‌ی خود را طلب می‌کنند.
نوع سوم بسته‌ی Data است، که منظور داده‌ی اصلی جمع‌آوری شده توسط حس‌گر گره همراه با سرفصل فراداده است. بسته‌ی Data معمولاً بزرگ‌تر از REQ و ADVاست. برطرف کردن عیب انتقال داده‌ی تکراری در شبکه توسط مفهوم مذاکره، مصرف بی‌رویه‌ی انرژی را کاهش می‌دهد.
شکل 2-2 مراحل کار پروتکل SPIN را نشان می‌دهد.

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ شکل \* ARABIC \s 1 2: نحوه عملکرد پروتکل SPIN ]17[پروتکل SPIN با ارائه راه‌کار جدید فرصت مطالعات بیشتری را ایجاد کرد که سبب ایجاد پروتکل‌های متعددی شد، در ادامه به برخی از این پروتکل‌ها اشاره می‌نماییم]17، 18[.
SPIN-BC: این پروتکل برای کانال‌های پخش فراگیر طراحی شد.
SPIN-PP: این پروتکل برای ارتباطات نقطه‌به‌نقطه طراحی‌شده است.
SPIN-EC: این پروتکل مشابه پروتکل SPIN-PP می‌باشد با این تفاوت که به پارامتر انرژی اهمیت بیشتری می‌دهد.
SPIN-RL: این پروتکل نیز مشابه پروتکل SPIN-PP می‌باشد با این تفاوت که مخصوص کانال‌های ارتباطی دارای خطا طراحی ‌شده است.
با توجه به نتایج شبیه‌سازی، پروتکل SPIN نواقص روش‌های سیل‌آسا را برطرف نمود، همچنین سبب افزایش نرخ انتقال اطلاعات نسبت به روش‌های سیل‌آسا شد. دست‌یابی به این نتایج با استفاده از محلی‌کردن تغییرات توپولوژی و حذف انتشار تکراری اطلاعات از طریق مفهوم مذاکره امکان‌پذیر شد]18[. بااین‌حال ممکن است که در سر راه گره‌های میانی، پیغام ADV درست منتشر نشود که این عیب مانع استفاده از این پروتکل در برنامه‌های کاربردی از قبیل کنترل کردن کشف نفوذ به داخل شبکه و حفاظت از نواحی بحرانی خواهد شد.
پروتکل انتشار هدایت‌شده:
در ]18[، الگو بسیار اساسی جهت تجمع داده‌ها در شبکه‌های حسگر بی‌سیم با نام انتشار هدایت شده ارائه شد. این پروتکل یکی از پروتکل‌های اساسی و مهم از نوع مبتنی بر داده است که پروتکل‌های زیادی بر مبنای آن پایه‌ریزی شده‌اند.DD یک الگوی داده محور می‌باشد که کلیه داده‌های حس شده توسط گره‌های حس‌گر را با یک جفت زوج مرتب خصیصه نشان می‌دهد. ایده اصلی به کار گرفته‌شده در الگوی داده محوری، داده‌های فرستاده‌شده از منابع مختلف با یکدیگر در جهت حذف اضافات و کاهش تعداد انتقالات ترکیب می‌شوند که این امر موجب صرفه‌جویی انرژی و افزایش طول عمر شبکه خواهد شد. حسگر‌ها به طور محلی کار ترکیب داده‌ها را انجام می‌دهند و از حجم اطلاعات ارسالی می‌کاهند.
در DD ابتدا گره چاهک علاقه‌‌مندی خود را جهت دریافت داده با یک بسته ارسالی در جهت منابع نشان می‌دهد. هر گره‌ای که بسته علاقه‌‌مندی گره سینک را دریافت می‌کند آن را به گره‌های همسایه خود ارسال می‌کند و بدین ترتیب ما بین آنها گرادیان تشکیل می‌شود. گرادیان‌ها در واقع مسیر‌های برگشتی هستند که حسگر‌های همسایه به‌واسطه آن درخواست را دریافت کرده‌اند. با ایجاد گرادیان‌ها، بین فرستنده و گیرنده مسیرهای مختلفی ایجاد می‌شوند. از بین این مسیرها تنها یک مسیر به عنوان مسیر مناسب انتخاب می‌شود که این انتخاب بر مبنای نرخ دریافت اطلاعات از مسیرهای مختلف است. در شکل 2-3 مراحل مسیریابی نشان داده‌شده است]12[.

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ شکل \* ARABIC \s 1 3: نحوه عملکرد پروتکل انتشار هدایت‌شده ]12[همه گره‌های حسگر به کار برده شده در شبکه‌‌ی مبتنی بر DD، برنامه-آگاه می‌باشند. الگوریتم DD با انتخاب مسیر مناسب از طریق ذخیره و پردازش اطلاعات موجب صرفه‌جویی انرژی در گره‌های حسگر می‌شود. ذخیره‌سازی اطلاعات می‌تواند سبب اثربخشی بهتر، توانمندی و مقیاس‌پذیری بهتر هماهنگی مابین گره‌های حس‌گر شود.
عملکرد تجمیع اطلاعات در پروتکل DD تحت تأثیر پارامترهایی نظیر تعداد منابع، محل قرارگیری منابع و چگونگی توپولوژی شبکه قرار دارد. برای نشان دادن تأثیر بهتر این پارامترها دو مدل به نام‌های شعاع رویداد(ER) و منابع تصادفی(RS) ارائه‌شده است. در مدل ER یک نقطه در شبکه به عنوان محل وقوع یک رویداد معرفی می‌شود و همه گره‌های قرارگرفته در شعاع S از آن نقطه به عنوان گره‌های منبع در نظر گرفته می‌شوند. تعداد منابع انتخاب‌شده در این مدل با n گره حسگر تقریباً برابر با می‌باشد. اما در مدل RS، K تا از گره‌ها به صورت تصادفی به عنوان منبع انتخاب می‌شوند که برخلاف مدل ER منابع انتخاب‌شده لازم نیست در خوشه و نزدیک به یکدیگر قرار گیرند]19[.
الگوریتم DD در مقایسه با پروتکل SPIN از دو نظر متفاوت می‌باشد.
از آنکه برخلاف پروتکل SPIN در پروتکل DD در ابتدا داده‌ها به‌وسیلهی گره سینک تقاضا می‌شد و سپس منابع اطلاعات خود را ارسال می‌نمودند.
برخلاف پروتکل SPIN که نیازی به نگهداری توپولوژی شبکه ندارد. ارتباطات در پروتکل DD به صورت همسایه-به-همسایه می‌باشد، که در آن هر گره توانایی ذخیره و تجمیع اطلاعات را دارد]20[.
پروتکل شایعه :
مسیریابی Rumor نسخه تغییریافته‌ی DD است و به طور عمده جهت کاربرد‌هایی که در آن مسیریابی جغرافیایی عملی نیست در نظر گرفته‌شده است. به طور کلی DD با استفاده از پخش فراگیر شروع به تزریق پرس‌و‌جو به تمام شبکه در زمانی که هیچ معیار جغرافیایی برای منتشر شدن وجود ندارد می‌کند. در برخی موارد تنها مقدار کمی از اطلاعات توسط گره‌ها درخواست می‌شود، بنابراین استفاده از پخش فراگیر غیرضروری می‌باشد. روش جایگزین برای سیل رخدادها در صورتی که تعدادی از رخدادها کوچک و تعدادی از پرس‌وجوها بزرگ باشند ایده اساسی این است به جای اینکه به جهت مشاهده رویداد خاص توسط گره‌ای، سیل اطلاعات در کل شبکه جاری شود، حادثه اتفاق افتاده بازیابی شود. به منظور عدم وقوع سیل حوادث از طریق شبکه، الگوریتم Rumor بسته‌هایی با نام عامل به کار می‌گیرد]40[.
هنگامی که یک گره رویدادی را تشخیص می‌دهد آن رویداد به جدولی به نام جدول رویدادها اضافه می‌شود و برای آن رویداد عامل تولید می‌شود عامل‌ها در شبکه به منظور انتشار اطلاعات در مورد رویداد‌های محلی به گره‌های دور دست حرکت می‌کنند. هنگامی که یک گره برای رویداد پرس‌وجو می‌سازد گره‌ها برای اطلاع از مسیر حرکت ممکن است به پرس‌وجو از طریق بازرسی در جدول رویدادها عکس‌العمل نشان دهند، لذا نیازی به سیل اطلاعاتی در کل شبکه نیست زیرا باعث کاهش هزینه‌های ارتباطی می‌شود. از سوی دیگر Rumor تنها یک مسیر بین منبع و مقصد حفظ می‌کند، بر خلاف DD که در آن داده‌ها بین چند مسیر با نرخ پایین مسیریابی می‌شوند. با توجه به تحقیقات انجام‌شده، Rumor به صرفه‌جویی قابل‌توجهی در انرژی در مقایسه با زمانی که سیل رویدادها جاری می‌شود، می‌رسد]12، 21[.
پروتکل انرژی آگاه:
هدف از ارائه این پروتکل افزایش طول عمر گره‌های حسگر است. این پروتکل مشابه با پروتکل DD است با این تفاوت که برای دستیابی به نرخ ارسال بالاتر از چندین مسیر بهینه استفاده می‌کند. مسیرهای انتخابی با استفاده از یک تابع احتمال خاص انتخاب می‌شوند. تابع احتمال نام برده شده به میزان مصرف انرژی هر یک از مسیرها بستگی دارد. ایده به کار برده شده در این پروتکل آن است که با انتخاب چندین مسیر بهینه، انرژی یک مسیر به سرعت کاهش نمی‌یابد که این امر سبب ایجاد یک تعادل مصرف انرژی در کل شبکه می‌شود ]22[. به‌عبارت‌دیگر می‌توان گفت بقای شبکه یکی از مهم‌ترین پارامترهای در نظر گرفته شده برای این پروتکل است. فرض به کار برده شده در این پروتکل آن است که هر گره حسگر به وسیله کلاسی از آدرس‌ها که شامل مکان و نوع گره‌ها می‌باشند، آدرس‌پذیر است. در زمان ارسال اطلاعات در ابتدا کلیه مسیرهای موجود مابین گره منبع و گره چاهک شناسایی می‌شود و جداول مسیریابی برای آنها ایجاد می‌شود. سپس مسیرهایی که دارای هزینه بیشتری می‌باشند حذف می‌گردد. سپس با استفاده از جداول مسیریابی و احتمال تخصیص داده‌شده به هر یک از مسیرها، اطلاعات به سمت گره چاهک ارسال می‌شوند. در مقایسه با پروتکل DD ، این پروتکل سبب کاهش 21.5% مصرف انرژی و افزایش 44% طول عمر شبکه می‌گردد. بااین‌وجود دستیابی به اطلاعات مربوط به مکان هر یک از گره‌ها نیازمند معادلات پیچیده‌‌ای است که سبب شده این پروتکل در مقایسه با پروتکل DD دارای فاز ابتدایی پیچیده‌تری باشد]12، 22[.
در شکل 2-4 تفاوت نوع تولید داده برای هدایت به سمت چاهک در نوع رویداد محور و به صورت مبدأ تولید ترافیک داده به صورت تصادفی نشان داده شده است. که در نوع اول میتوان از روشهای تراکم داده استفاده کرد و در نوع دوم مسیرهای مختلف برای رسیدن به چاهک در شبکه ایجاد میشود.
ایده مسیریابی‌های سلسله مراتبی و مبتنی بر کلاس در ابتدا در شبکه‌های سیمی مطرح شد، که سبب بهبود برقراری ارتباط و پایداری شبکه شد. استفاده از این‌گونه مسیریابی‌ها در شبکه‌های حس‌گر سبب بهبود مصرف انرژی شده است.

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ شکل \* ARABIC \s 1 4: عملکرد تجمیع اطلاعات در پروتکل انتشار هدایت‌شده ]12[در این‌گونه ساختارها گره‌هایی که دارای انرژی بیشتری می‌باشند، به عنوان گره‌ی پردازش کننده اطلاعات و انتقال‌دهنده اطلاعات به گره چاهک انتخاب می‌شوند. مسیریابی سلسله مراتبی با استفاده از مفاهیمی مانند کلاس و تجمیع داده‌ها سبب بهبود مصرف انرژی و افزایش طول عمر شبکه شده است. این نوع مسیریابی بر اساس دو فاز طراحی شده است، فاز اول جهت شناسایی سرخوشه‌ها و فاز دوم جهت مسیریابی مورد استفاده قرار می‌گیرد ]15[.
در مقایسه با پروتکل‌های دیگر مسیریابی این دسته از پروتکل‌ها دارای ویژگی‌های متمایزکننده‌ای می‌باشند که در زیر به برخی از آنها اشاره نموده‌ایم]23، 24[:
مصرف بهینه‌تر انرژی، با توجه به آنکه انرژی گره‌های موجود در شبکه محدود می‌باشد، مصرف بهینه‌تر انرژی یکی از مهم‌ترین مزایای این دسته پروتکل‌ها می‌باشد.
جمع‌آوری داده‌های ارسالی توسط سرگروه‌های هر کلاس و انجام اعمالی مانند تجمیع که سبب کاهش حجم داده‌های ارسالی خواهد شد.
مقیاس‌پذیری، با توجه به حالت پویای توپولوژی شبکه، این دسته از پروتکل‌های مسیریابی از مراحل توزیع‌شده‌ای استفاده می‌کنند که سبب گسترش ساده‌تر شبکه خواهد شد.
پایداری، این دسته از پروتکل‌ها قابلیت سازمان‌دهی مجدد شبکه در صورت از بین رفتن برخی از گره‌های موجود در شبکه فراهم می‌سازند.
به دلیل تراکم بالای گره‌های حسگر در واحد سطح و در نتیجه نزدیکی آنها با یکدیگر، ارتباط‌های چندگامی در این گونه شبکه‌ها مفیدتر و مقرون به صرفه‌تر از ارتباط‌های تک گامی است. اما با توجه به انرژی محدود هر یک از حسگرها و اینکه بیشتر انرژی آنها صرف ایجاد ارتباط با حسگرهای دیگر می‌شود، استفاده از ارتباط‌های چندگامی نیز باعث مصرف زیاد انرژی در حسگرها و در نتیجه کاهش عمر شبکه‌ی حسگر می‌گردد ]25[. به‌کارگیری خوشه‌ها برای ارسال اطلاعات به یک ایستگاه پایه با ملزوم کردن تنها تعداد کمی گره برای ارسال از فواصل دور به ایستگاه اصلی مزایای فواصل ارسال کوتاه را برای اکثر گره‌ها افزایش می‌دهد ]25، 26[. به پیداکردن و ایجاد مسیر بین مبدأ و مقصد مسیریابی می‌گویند.
در دنیا روش‌های مختلفی برای پیداکردن مسیر بهینه مطرح شده است که هر کدام از آنها در شرایطی کارا هستند. مسیریابی در شبکه‌ها یکی از مهم‌ترین مسائل مطرح شده است.در شبکه‌های حسگر بی‌سیم با توجه به ساختار متفاوتی که با شبکه‌های معمول دارند این موضوع ویژگی‌های خاص خودش را پیدا می‌کند.
در طراحی‌های اولیه شبکه‌های حسگر بی‌سیم از مسیریابی‌هایی استفاده شد که در شبکه‌های سنتی بی‌سیم استفاده می‌شد. الگوریتم‌های مسیریابی انجام‌شده در شبکه‌های سنتی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم کارایی خوبی ندارند.
در شبکه‌های حسگر بی‌سیم به دلیل اینکه گره‌های تشکیل‌دهنده شبکه، حسگرهای کوچک بی‌سیم هستند. ویژگی‌های خاصی را به شبکه تحمیل می‌کنند.
طیف وسیعی از کاربردهای شبکه‌های حسگر مربوط به محیط‌هایی می‌شود که انسان نمی‌تواند در آن حضور داشته باشد. مانند محیط‌های آلوده از نظر شیمیایی، میکروبی، هسته‌ای و یا مطالعات در اعماق اقیانوس‌ها و یا محیط‌های نظامی و یا در جنگل و زیستگاه جانوران که حضور انسان باعث فرار آنها می‌شود. در هر مورد، شرایط محیطی باید در طراحی گره‌ها در نظر گرفته شود [1، 3، 15].
هر گره‌ی حسگر ضمن اینکه باید کل اجزاء لازم را داشته باشد، باید به حد کافی کوچک، سبک و کم‌حجم نیز باشد. درعین‌حال هر گره باید انرژی مصرفی بسیار کم و قیمت تمام‌شده پایین داشته و با شرایط محیطی سازگار باشد. اینها همه محدودیت‌هایی است که کار طراحی و ساخت گره‌های حسگر را با چالش مواجه می‌کند [3].
هر گره ممکن است خراب شود یا در اثر رویدادهای محیطی مثل تصادف یا انفجار به‌کلی نابود شود یا در اثر تمام شدن منبع انرژی از کار بیفتد.شبکه ایجادشده توسط گره‌های حسگر باید تحمل‌پذیری خطای بالایی داشته باشد. منظور از تحمل‌پذیری خطا یا قابلیت اطمینان این است که خرابی گره‌ها نباید عملکرد کلی شبکه را تحت تأثیر قرار دهد.
هر حسگر در شبکه‌های حسگر بی‌سیم دارای بخش‌های مختلفی است؛ 1- واحد حسگر 2- واحد پردازنده 3- واحد ارتباطات 4- واحد انرژی .
واحد حسگر وظیفه حس و برداشتن اطلاعات را به فراخور کاربرد و وظیفه حسگر؛ که شبکه حسگر بی‌سیم به خاطر آن به وجود آمده را از محیط دارد.
واحد پردازنده وظیفه پردازش اولیه و ساده اطلاعات به دست آمده و آماده‌سازی برای ارسال آن به سینک را به عهده دارد.
واحد ارتباطات وظیفه ارسال و دریافت بسته‌های پیام را بر عهده دارد. ارسال و دریافت پیام بیشترین میزان از انرژی را در واحدهای مختلف مصرف می‌کند.
واحد انرژی که معمولاً از یک باتری کوچک تشکیل شده است وظیفه تأمین انرژی فعالیت‎‌های مختلف حسگر را به عهده دارد [4].
طول عمر گره‌ها به علت محدودیت انرژی منبع تغذیه کوتاه است. علاوه بر آن در برخی مواقع، موقعیت ویژه یک گره در شبکه مشکل را تشدید می‌کند. مثلاً گره‌ای که در فاصله یک قدمی گره چاهک قرار دارد ازیک‌طرف به خاطر بار کاری زیاد خیلی زود انرژی خود را از دست می‌دهد و از طرفی از کار افتادن آن باعث قطع ارتباط گره مرکزی با کل شبکه و در نتیجه موجب ازکارافتادن شبکه می‌شود. مشکل تخلیه زود هنگام انرژی در مورد گره‌های نواحی کم تراکم در توزیع غیریکنواخت گره‌ها نیز صدق می‌کند در این‌گونه موارد داشتن یک مدیریت انرژی در داخل گره‌ها و ارائه راه‌حل‌های انرژی آگاه به‌طوری‌که از گره‌های بحرانی کمترین استفاده را بکند مناسب خواهد بود. با توجه به مطالب بیان‌شده تمام الگوریتم‌ها و فن‌های مورد استفاده در شبکه‌های حسگر به انرژی به‌عنوان یک محدودیت جدی نگاه می‌کنند و سعی می‌کنند با آگاهی از سطح انرژی مصرفی عمل کنند تا کمترین انرژی مصرف گردد و در نتیجه افزایش طول عمر شبکه حسگر را به دنبال داشته باشد [27].
به همین دلیل راه‌کارهای مختلفی برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی در حسگر پیشنهادشده است. بیشتر آنها مربوط به ارتباطات حسگر است. استفاده حداکثری از حسگر مسئله اول در شبکه‌های حسگر بی‌سیم است. توجه به مسئله انرژی و کم شدن مصرف بدون اینکه به ساختار شبکه خللی وارد شود، در مسیریابی حائز اهمیت است. به همین دلیل برای مسیریابی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم الگوریتم‌های خاصی ارائه شد. در آنها به مسئله انرژی و کم شدن ارتباطات غیرضروری و فشرده‌سازی اطلاعات توجه خاصی شده است.
الگوریتم‌های مسیریابی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم سعی می‌کنند تا جای ممکن از پدیده‌ی خرابی شبکه جلوگیری کند.
در خرابی شبکه به خاطر تمام شدن انرژی بعضی از حسگرها، به خاطر فعالیت بیشتر و در نتیجه مرگ حسگرها؛ توپولوژی شبکه از بین می‌رود. بااینکه تعدادی از حسگر‌ها دارای انرژی هستند به خاطر مردن حسگرهای میانی که وظیفه برقراری ارتباط بین حسگرها و سینک را دارند؛ توانایی برقراری ارتباط را از دست می‌دهند. مقداری از انرژی در شبکه به دلیل خرابی شبکه هدر می‌رود [27].
یکی از روش‌های بسیار پرکاربرد فشرده‌سازی پیغام‌ها است تا انرژی کمتری صرف ارسال پیام‌ها شود. الگوریتم‌های مسیریابی سعی می‌کنند وظیفه ارتباطات بین حسگرهای مبدأ و سینک را به صورتی بین حسگرهای میانجی تقسیم کنند که از پدیده شکستگی شبکه تا جای ممکن جلوگیری شود.
برای حل این مشکل روش‌های مختلفی پیشنهاد شده است. یکی از روش‌های پرکاربرد خوشه‌بندی شبکه است.
خوشه‌بندی در شبکه‌های حسگر بی‌سیمخوشه‌بندی شبکه را به خوشه‌های کوچک‌تر تقسیم می‌کند. تا از حجم ارتباطات درون شبکه بکاهد. فن‌های خوشه‌بندی، قابلیت مقیاس‌پذیری و گسترش به صدها و هزاران گره را نیز دارا هستند. یعنی با استفاده از این فن‌ها می‌توان با افزایش اندازه شبکه، توازن بار در شبکه را رعایت نموده و منابع را به صورت کارا استفاده نمود. کاربردهایی که به تجمیع داده‌ها به صورت مؤثر احتیاج دارند نیز کاندیدای مناسب جهت استفاده از خوشه‌بندی می‌باشند. خوشه‌بندی باعث می‌شود حجم ارتباطات درون شبکه کاهش یابد و در نتیجه عمر شبکه افزایش یابد. پروتکل‌های مسیریابی نیز می‌توانند فن‌های خوشه‌بندی را به کار برند ]15، 28[.
هر خوشه دارای حداقل یک سرخوشه است. گره‌های حسگر پیام‌های خود را به سرخوشه می‌فرستند. سرخوشه وظیفه دریافت، تجمیع، فشرده‌سازی و ارسال پیام‌ها را به سینک دارد. این ارسال می‌تواند مستقیم یا غیرمستقیم از طریق دیگر سرخوشه‌ها به سینک انجام بگیرد.
ازآنجاکه در خوشه‌بندی جمع‌آوری و ارسال اطلاعات به ایستگاه پایه بر عهده سرخوشه‌ها است، بار کاری سرخوشه‌ها در مقایسه با دیگر گره‌ها افزایش می‌یابد و در نتیجه مصرف انرژی در سرخوشه‌ها پیش از سایر گره‌های خوشه می‌باشد. به منظور یکنواخت کردن مصرف انرژی در گره‌ها لازم است که سرخوشه‌ها و شکل خوشه‌ها در طول زمان حیات شبکه حسگر تغییر کند. طراحی شمای خوشه‌بندی با دو مسئله اساسی روبرو است ]15، 28، 29 [: 1) چه تعداد خوشه باید ایجاد گردد. 2) خوشه‌ها چطور باید ایجاد شوند.
اگر اندازه خوشه‌های ایجادشده متناسب نباشد باعث می‌شود به سرخوشه‌هایی که در خوشه‌های بزرگ‌تر قرار گرفته‌اند بار بیشتری تحمیل شود.
ایجاد خوشه‌های متوازن و بهینه در شبکه یکی از مسائل مهم و اساسی است. این کار باید به صورتی انجام شود که بار محاسباتی سنگینی نیز به شبکه تحمیل نشود.
برای پاسخ به سؤال اول، تلاش‌هایی جهت مشخص کردن تعداد بهینه سرگروه‌ها در سناریوهای مختلف صورت گرفته است. در ]30[ یک الگوریتم توزیع‌شده در شبکه‌های حسگر بی‌سیم پیشنهاد گردیده است، که در آن هر حسگر با یک احتمال خودش را به عنوان سرگروه انتخاب می‌کند و تصمیمش را به اطلاع دیگران می‌رساند. این الگوریتم امکان ایجاد خوشه‌های تک گامی را فراهم می‌آورد که ممکن است باعث شود تعداد خوشه‌ها خیلی زیاد شود و در مورد چگونگی محاسبه تعداد بهینه سرگروه‌ها صحبتی نمی‌گردد. در ]31[ یک مدل ریاضیاتی برای محاسبه تعداد بهینه سرگروه‌ها در شبکه حسگر بی‌سیم چندگامی ایجاد شده است. نتایج آنها نشان می‌دهد که برای خوشه‌بندی سلسله مراتبی نیروی لازم برای هر سطح از خوشه متفاوت است. آنها همچنین نشان دادند که انرژی سرگروه‌ها سریع‌تر از دیگر گره‌ها تمام می‌شود. آنها همچنین پیشنهاد دادند که برای ایجاد توازن بار الگوریتم به صورت متناوبی اجرا گردد. در کارهای ]26، 32[ نیز بر روی این موضوع تمرکز شده است.

دسته‌بندی نشده

No description. Please update your profile.

LEAVE COMMENT

نظرات (0)
امکان ثبت نظر جدید برای این مطلب وجود ندارد.